materiales plásticos tipos y propiedades
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Facultad de Ingeniería
Materiales Plásticos
Tipos y Propiedades
Ing. Juan Carlos Posada.
Línea de énfasis en MaterialesPoliméricos
Materiales Plásticos en la Ingeniería
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Facultad de Ingeniería
Introducción
Ing. Juan Carlos Posada.Línea de énfasis en Materiales
Poliméricos
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Un poco de Historia• El Hombre viene utilizando los polímeros naturales desde tiempos
prehistóricos (fibras de celulosa, proteínas, ambar, carbohidratos, asfaltos,caucho, etc)
• A pesar del uso masivo de los polímeros, hasta unas pocas décadas atrás
virtualmente no se conocía sobre su estructura y composición química
• En las primeras décadas del presente siglo se inicia el conocimiento
científico sobre la estructura de los polímeros (teoría macromolecular deStaudinger)
• A partir de este momento el desarrollo científico y tecnológico de los
materiales poliméricos ha sido vertiginoso. Los materiales poliméricos
han pasado de ser materiales de reemplazo a irreemplazables
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Descubrimiento de la
estructura Macromolecular • Raoult y Van’t Hoff en 1880 sentaron los fundamentos para la medición
de los pesos moleculares (primeras determinaciones PM en el rango de
10,000 a 40,000)
• Sin embargo, se consideraban sustancias coloidales o miscelares
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Descubrimiento de la
estructura Macromolecular • Staudinger 1922 (premio Nobel 1953), propone la teoría
macromolecular: sustancias orgánicas de muy alto peso molecular
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Descubrimiento de la
estructura Macromolecular • W. Carothers 1938, Conocimiento sistemático de la química de
Polimerización y síntesis de cientos de polímeros (entre ellos la
Poliamida, “Now you lost old Nipon”, Nylon)
• Flory 1937 (premio nobel en 1974), elucida el mecanismo de
reacción de la polimerización en cadena, lográndose entender masclaramente la naturaleza de los grupos terminales.
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Propiedades de los materialesplásticos
Los plásticos son livianos
Los plásticos permiten la elaboración departes complejas en un solo paso.
Las temperaturas de procesamiento son
bajas.
Su resistencia térmica es limitada.Excelentes aislantes térmicos y eléctricos
Se dejan colorear fácilmente.
Pueden ser reciclados y/o re-usados por
varios métodos.
Los plásticos tienen una gran gama de
propiedades mecánicas
Tienen una gran resistencia química.
Son permeables.
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Cadenas Macromoleculares
Forman cadenas de muchos átomos
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Fuerzas
intermoleculares
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Clasificación de los Polímeros
• De acuerdo con la forma de las cadenas:
Lineales Ramificadas
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Clasificación de los
Polímeros
• Mayor densidad.
• Mayor grado de
cristalización.
• Mayor temperatura de
fusión.
• Mejor resistencia química.
• Menor brillo.
• Menor transparencia.
Mientras más lineales:
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Clasificación de los Polímeros
• De acuerdo con el ordenamiento molecular
Semicristalinos Amorfos
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POLIMEROS
RETICULADOSNO RETICULADOS
TERMOFIJOSELASTOMEROSSEMICRISTALINOS
AMORFOS
PFMFUP
PUREP
NBREPDM
EVAPUR
LDPEHDPE
LLDPEPP
PET
PBTPTFEPURPAPC
PSSB
SANABSASA
PVCPMMA
CACAB
PC
Clasificación de los Polímeros
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Síntesis de gases y
líquidos(Monómeros)
Modificación desustancias naturales
macromoleculares
Ejemplos
Derivados de laCelulosa
Caucho Natural
Poliadición
PoliuretanosEpóxicas
Policondensación
Poliésteres(PET, PBT)
Poliamidas (PA)Policarbonatos (PC)
Polimerización
Polietilenos (PE)Polipropileno (PP)
Poliestireno (PS)SB
ABSSAN
ASAPVC
Acrílicos (PMMA)Poliacetal (POM)
Teflon(PTFE)
Materiales artificiales
creados por el hombre
de acuerdo a sus necesidades
Origen de los polímeros
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Estructura Química
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c) Unidades estructurales diferentes
O C
CH3
CH3
O C
O
k
O C
CH3
CH3
O C
O
C
O
m n
se mento olicarbonato se mento éster
Unidad Básica y Estructural
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ESQUEMA DESCRIPCION EJEMPLO
HOMOPOLIMEROS Homopolímero a partir de unidades
simetricas.
Homopolimero a partir de dos
monómeros diferentes.
PE
PTFE
PA 6.6
COPOLIMEROS
Copolímeros de unidades alternantes.
Copolímeros con unidades
acopladas al azar.
Copolímero en bloque.
Copolímero de injerto. Un monómero
polimeriza como cadena lateral sobre un
polímero existente.
SAN
SB
SB
ABS
ASA
MEZCLAS Polimezclas (Poliblends):
Polímeros se mezclan sin existir reacción
química entre ellos. A veces como
alternativa del copolímero
(ABS = SAN + SB)
PP/PC
PVC/ABS
PE/PTFE
ABS
SB
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Promedio de Peso Molecular
Promedio en número: Ecuación No. 1
Donde:ni: número de moléculas de una fracción determinadaMi: peso molecular de una fracción determinada
Mn: promedio en número
i
ii
n
n
M n M
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Promedio de Peso Molecular
Promedio en peso:
Ecuación No. 2
Polidispersidad:
Ecuación No. 3
ii
ii
w
M n
M n M
2
1n
w
M
M
U
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Peso molecular vs. Propiedades
• A mayor peso molecular
Aumenta la viscosidad delfundido.
Aumenta peligro de ruptura enla extrusión.
Aumenta temperatura de fusión.Disminuye la solubilidad.
Mejora la resistencia al impacto.
•Con una distribución amplia
El comportamiento no newtoniano seacentúa.
Baja la temperatura de solidificación.
Menor peligro de ruptura.
Disminuye resistencia al impacto.
Disminuye módulo elástico.
Aumenta elongación a rotura.
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Isomerísmo
• Diferencias en la distribución espacial
oo
oo
oo
oo
oo
o
R R R
R R R
oo
oo
oo
oo
oo
o
R R RR R R
oo
oo
oo
oo
oo
o
R
R
R R
R R
Isotáctico Sindiotáctico
Atáctico
Mayor cristalinidad.
Mejor organización intermolecular.
Mayor temperatura de fusión.
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Isomerísmo
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Facultad de Ingeniería
Polaridad
– Mayor rigidez
– Mayores temperaturas
de transición (Tg, Tf).
– Mayor grado de
cristalización.
– Más higroscópico.
– Fuerzas intermoleculares
más altas.
– Mayor dureza.
– Mayor resistencia alaceite.
– Mayor permeabilidad al
agua
A mayor polaridad:
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Efectos de la polaridad en la transiciónvítrea
- Polipropileno Tg 0°C - Polivinil cloruro Tg 87°C(Dipolo temporal) (Dipolo permanente)
- Poliacrilonitrilo Tg 103°C
(Puentes de Hidrógeno)
CH2 CH
CH3
CH2 CH
Cl
CH2 CH
C N
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Flexibilidad• Disminuye con:
–
Grupos sustituyentes muy grandes – Enlaces dobles en la cadena central
– La presencia de anillos
– La configuración TRANS es menos flexible que las CIS
• A mayor flexibilidad:
– Más alta será su temperatura de fusión
– Más fácil cristaliza
– Menor es el módulo elástico
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Facultad de Ingeniería
Estructura Física
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Facultad de IngenieríaFacultad de Ingeniería
Estructura macromolecular
• Estructura Física
– Estructuras primarias (sistemas cristalinos)
– Supraestructuras (agrupaciones)• Monocristales
• Esferulitas
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Facultad de Ingeniería
Cristalización
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Facultad de Ingeniería
Estructura esferolítica del Nylon
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ó
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Facultad de Ingeniería
Cristalización
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Facultad de Ingeniería
Propiedades Físicas
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Propiedades importantes en Polímeros
Resistencia a la tensión
Deformación
Flexibilidad
Precio
Densidad
Resistencia al
Impacto
Brillo,
Opacidad,
Haze, ColorPermeabilidad
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Propiedades Físicas• Temperaturas de transformación
– Temperatura de transición vítrea
– Temperatura de cristalización
– Temperatura de fusión de cristales
– Temperatura de procesamiento
• Estados físicos
• Propiedades térmodinámicas – Calor específico
– Diagrama PVT
– Conductividad térmica, Difusividad térmica, Entalpía
•Propiedades mecánicas – Diagramas de esfuerzo deformación
– Comportamiento a largo plazo
– Resistencia al impacto
P i d d Fí i
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Propiedades Físicas
• Propiedades Reológicas
– Curvas de Fluidez
– Comportamiento no Newtoniano
– Anomalías de flujo
• Propiedades Opticas
– Luz reflejada
– Luz transmitida
– Haze
– Brillo
• Permeabilidad a los gases y vapores
• Propiedades Eléctricas
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Temperatura de transición vítrea, Tg
Las macromoléculas poseen un mecanismo derelajación macromolecular, dependiente del nivelde temperatura.Tg: es la temperatura en la cual se descongela el movimiento de relajación macromolecular.
• Velocidad de enfriamiento• Presión• contenido de sustancias de bajo peso molecular
(plastificantes)
• Movilidad de cadena
T t d i it li ió f ió d
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Temperatura de crisitalización y fusión de
cristales, Tk
• Temperatura de cristalización, Tk: se mide en enfriamiento.Temperatura en la cual ocurre el reordenamientomacromolecular para formar cristales.
• Temperatura de fusión de cristalización, Tf: se mide encalentamiento. Temperatura en la cual destruye todo
ordenamiento cristalino.• Para un mismo polímero se puede desmostrar que: Tk < Tf Tk > Tg
• Temperatura de fusión de cristalización, Tf:
• Para los amorfos: Tf´ = Tg + 100°C• Para los semicristalinos: Tf´ = Tk + 70°C
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E d fí i i l
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Facultad de Ingeniería
Estados físicos para un materialsemicristalino
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Diagrama PVT de un Polímero Semicristalino
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Rangos contracción
Contracción
%
Contracción
%PS 0.4-0.7 PVC 0.4-0.8
SAN 0.4-0.6 PMMA 0.3-0.8
PC 0.6-0.8 PA6,6 0.8-2.0ABS 0.4-0.7 PA11 0.3-0.7
LDPE 1.0-3.0 PA6 0.2-1.2
HDPE 1.5-3.0 PET 1.6-2.0
PP 1.2-2.5
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Difusividad Térmica Materiales Amorfos
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E t l í
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Facultad de IngenieríaFacultad de Ingeniería
Entalpía
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Facultad de Ingeniería
Requerimientos térmicos
Temp.Fundido °C
Temp.Molde °C
Calor parafundir J/g
Calor paraenfriar J/g
PET 275 135 556 305PS 200 20 310 310
POM 205 90 555 345
PC 300 90 490 368
ABS 240 60 451 369PA6 250 80 703 520
PA12 260 60 586 488
LDPE 200 20 500 500
HDPE 260 20 810 810PP 260 20 670 670
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Facultad de IngenieríaFacultad de Ingeniería
Módulo de Rigidez
1
Poco rígido
E1
F
2
Muy rígido
E2
F
1 = F / A1
F
2 = F / A2
E1 << E2
F
1 >>
2
Propiedades Mecánicas
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Facultad de Ingeniería
Propiedades Mecánicas
Propiedades Mecánicas
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Propiedades Mecánicas
A. Acero
B. CobreC. PC
D. PMMA
E. HDPE
F. Caucho
G. LDPE
H. P-PVC
Propiedades mecánicas a
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Facultad de Ingeniería
Propiedades mecánicas a
largo plazo
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Facultad de Ingeniería
Propiedades mecánicas a largo plazo
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Resistencia al Impacto
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Resistencia al Impacto
MFI (I di d fl id )
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MFI (Indice de fluidez)
MFI Peso molecular promedio
MFI Mw Y MFI h
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Curva de viscosidad
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Curva de viscosidad
Propiedades ópticas
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Propiedades ópticas
Haze
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Facultad de Ingeniería
Haze• Es la fracción de luz
que dispersa la
muestra en un ángulode 2.5 y 90° sobre la
vertical
Brillo
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Brillo
Relación entre el flux incidente y elreflejado, cuando la luz incide en un ángulodeterminado y es reflejada especularmente.
Brillo
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Facultad de Ingeniería
Brillo
Izquierda: mayor impresión de brillo por la reflexión sobre
una superficie lisa.
Derecha: menor impresión de brillo por la reflexión sobre una
superficie burda y en el material de relleno
Brillo
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Facultad de Ingeniería
Brillo
Flujo en forma de fuente parcialmente perturbado por el
enfriamiento.
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Facultad de IngenieríaFacultad de Ingeniería
La Permeabilidad de los
Polímeros Termoplásticos1: Capa 1
2: Capa 2
3: Capa 3
X: Espesor de Capa At: Area de flujo
Q: Volúmen de gas
o permeante
p: Presión parcial
del gas
La Permeabilidad de los Polímeros
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La Permeabilidad de los Polímeros
Termoplásticos
Polímero N2 O2 CO2 SO2 H2O 90% HR
30 °C 30°C 30°C 25°C 25°C
Polietileno de baja densidad 4909.6 14211.9 90956.1 51679.6 206718.3
Polietileno de alta densidad 697.7 2739.0 9043.9 14728.7 33591.7
Polipropileno -------- 5943.2 23772.6 1808.8 175710.6
PVC Rígido 103.4 310.1 2584.0 299.7 403100.8
Acetato de Celulosa 723.5 2015.5 17571.1 -------- 19379845.0
Poliestireno 749.4 2842.4 22739.0 56847.5 3100775.2
Nylon 6 25.8 98.2 413.4 5684.8 1808785.5
PET 12.9 56.8 395.3 516.8 335917.3
PVDC 2.4 13.7 74.9 --------- 3617.6
Permeabilidad para varios polímeros y permeantes
P [mL(STP) mil / (m2 día atm)
*Food Packaging
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